способ записи изображения на плоскую поверхность

Формула изобретения

Способ записи изображения на плоскую поверхность, включающий построчное сканирование поверхности и синтез растра изображения струями распыленных цветообразующих красочных компонент изображения, а также программное управление расходом компонент, отличающийся тем, что предусматривают пространственную структуру растра изображения как структуру прямоугольной плоской матрицы одинаковых элементов площади, указывают строки и столбцы элементов и определяют позиции элементов координатами пересечений строк и столбцов, а также задают информацию о градационных и цветовых характеристиках каждого элемента в форме набора значений относительных количественных характеристик всех красочных компонент, подлежащих нанесению на элемент, и приписывают позиции элемента полученный набор значений, а при сканировании наносят каждую компоненту по координатам позиций элементов и задают расход компоненты пропорционально значениям ее относительной количественной характеристики из наборов, приписанных соответствующим позициям элементов.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к техническим средствам нанесения изображений, преимущественно, большого формата (до десятков метров) на различные неподвижные плоские поверхности, и может быть применено в рекламе и декоративно-оформительском деле.

Известны растровые способы бесконтактной записи изображений и информации на поверхность носителя путем дозирования расхода красочных составов в направленных в сторону поверхности струях этих составов (цветообразующих красочных компонент изображения). При этом информация о градационных и цветовых характеристиках наносимого изображения используется для программного управления дозированием компонент. Указанные способы реализованы в многочисленных конструкциях струйных устройств. Например, способ формирования струй капель в струйных принтерах, патент Великобритании 2220892А, класс B 41 J 3/04, 1988 г. основан на использовании четырехцветной микрокапельной струйной головки, управляемой сигналами ЭВМ. В этой и других системах, близких по принципу действия, создается эмиссия чернильных капель из капиллярных сопел, а управление струей осуществляется изменением количества импульсов генерации капли, подаваемых на пьезоэлемент или за счет электрического поля, потока газа или иных физических явлений.

Указанные системы используют метод построчного растрирования наносимого изображения, но поверхность носителя информации в них обычно не является плоской и неподвижной, поскольку переход от строки к строке осуществляется за счет перемещения носителя, который при этом подвергается изгибам и деформациям. Такой метод не позволяет наносить изображения на плоские, неподвижные и произвольным образом ориентированные носители информации, например, стены помещений. Кроме того, принцип формирования тонки дозированных струй микрокапеь диаметром в десятки микрометров и низкой интенсивности ориентирован: в основном, на использование в объектах оргтехники и записывающей аппаратуры, и связан с применением узкой номенклатуры носителей с требуемыми физико-механическими свойствами; это, как правило, листовая или рулонная бумага "настольных" форматов. Использование указанного принципа в способе нанесения изображений больших размеров на разнообразные плоские поверхности сопряжено с трудностями, связанными с необходимостью создания струй красочных составов в сотни раз более высокой интенсивности и достаточного сечения для покрытия больших площадей наносимых изображений.

Известен способ записи, реализованный в системе формирования изображений на всевозможных поверхностях (патент США N 4.839.666, класс 346/75, июнь 1989 г. ), в которой используется пульверизационный принцип формирования струй красочных составов и программное управление нанесением их на поверхность. Как и заявленное решение, эта система позволяет наносить монохромные и цветные изображения на разнообразные поверхности, допуская возможность варьирования интенсивности струй, что трудно осуществить другими известными методами. Однако в этой системе не определен метод построения растрированного изображения на поверхности и организации подлежащей записи информации, не указан режим сканирования и принцип привязки информации к точкам (участкам) поверхности. Эти недостатки обусловлены тем, что описанная система предназначена для работы в составе различных устройств, в ней не определен алгоритм записи, обусловленный заданным структурным строением наносимого изображения.

Известен способ программного распределения активных продуктов на поверхности земли, патент США N 5.077.653, класс 364/167, декабрь 1992 г. который позволяет осуществлять запись монохромных и цветных изображений большого размера на поверхности грунта. Как и заявленное решение, он характеризуется использованием пульверизационного принципа нанесения красочных составов, растрированием изображения и программным управлением режимом распыления. Он основан на использовании большого количества распыляющих форсунок и допускает несколько типов программного управления записью, например, использование оптического считывания оригинального изображения или управление при помощи магнитного запоминающего устройства, связанного с компьютером. Однако данный способ предназначен для применения в сельском хозяйстве, и предусматривает возможность записи изображений только на поверхности земли с применением дополнительного средства тяги, например, трактора или автомобиля. Кроме того, в отличие от заявленного решения, растр изображения состоит из отдельных полос большой ширины, а каждая из полос включает множество строк, образованных в результате действия форсунок. При этом изображение может наноситься на различные и произвольно ориентированные участки земли. Проводка полос может осуществляться в различных направлениях в зависимости от конфигурации участка и плана расположения полос на местности. Характерной особенностью способа является то, что общая программа управления записью распадается на отдельные части, каждая из которых относится к управлению записью в пределах наносимой полосы, а запуск каждой части программы выполняется оператором вручную, по местным признакам начала полосы. В отличие от этого, заявленное решение предусматривает выполнение записи в одном автоматическом цикле без дополнительного вмешательства оператора. Кроме того, данный способ предусматривает привязку информации записи к местности, используя отсчет от точки старта для каждой полосы отдельно, в то время, как заявленное решение предусматривает прямую координатную адресацию. При совпадении ряда признаков с заявленным, описанный способ не дает возможности наносить изображения на различные и произвольно ориентированные плоские поверхности, например, стены помещений и зданий, рекламные щиты и т.д.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ изготовления копии изображения на плоской поверхности, патент Р. Ф. N 2004919, кл. G 03 F 7/23, зарегистр. 15.12.93.

Как и заявленное техническое решение, этот способ предусматривает нанесение монохромных и цветных изображений на поверхность струями распыленных красочных составов и образование прямоугольной растровой картины изображения, состоящий из параллельных строк равной длины. Программа управления записью здесь задана в форме оптического изображения, сфокусированного вблизи и параллельно плоской поверхности. Это изображение используется в качестве оригинала, подлежащего воспроизведению. Процесс изготовления копии включает в себя два совместно протекающих процесса: построчную развертку считывания оптического изображения в плоскости его фокусировки и синтез копии этого изображения на поверхности. Как и заявленное решение, данный способ записи предусматривает использование режима построчного сканирования неподвижной плоской поверхности, что дает возможность наносить изображения на произвольно ориентированные плоские поверхности с различными физико-механическими свойствами. Способ характеризуется жесткой привязкой записываемой информации к точкам поверхности расположения изображения при сканировании за счет того, что сфокусированное оригинальное оптическое изображение не изменяет своего положения относительно поверхности в течение всего процесса записи. При этом запись протекает как один непрерывный автоматический цикл, и по окончании сканирования на поверхности остается красочное изображение, состоящее из последовательности попарно-смежных строк.

Как следует из приведенного анализа, описанный способ является наиболее близким аналогом, так как он содержит большинство основных признаков, рассмотренных аналогов, а также и заявленного решения.

Недостатком описанного способа является его зависимость от внешнего освещения в связи с оптическим способом задания оригинала-программы записи изображения. Помехи в виде изменений внешнего освещения в пределах поля кадра изображения и по времени воспринимаются при считывании оптического оригинала и накладываются на воспроизводимую запись. Для устранения этого явления приходится вести процесс в темноте или в условиях строго равномерного и неизменного по времени внешнего освещения. Кроме того, реализация способа всегда требует значительного объема пространства для установки проекционной аппаратуры и ее надлежащей ориентации, что ограничивает применение способа и снижает его технологические возможности.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей процесса записи изображений размерами до десятков метров на различные плоские поверхности. Его непосредственным техническим результатом явится повышение оперативности и удобства в работе за счет исключения проекционной аппаратуры и операций, связанных с ней, а также устранение влияния внешней засветки. При задании подлежащей записи информации не в оптической форме, процесс становится независимым от внешнего освещения. Для управления процессом могут быть использованы достаточно простые средства программного управления с накоплением информации. Использование компьютерных систем еще больше повысит удобства работы. Технические средства ввода изображений в компьютерные системы существуют. Применение компьютерных систем даст и дополнительные удобства, связанные с возможностью редактирования и внесения изменений в исходную управляющую информацию. Например, подлежащее записи на поверхность изображение можно выдать на экран дисплея для визуального контроля, изменить его градационные показатели и цветовой тон, внести дополнительные элементы, надписи или удалить лишние и т.д. Это позволит повысить оперативность работы и даст возможность удобно и быстро наносить изображения на самые разнообразные поверхности в информационных целях, для изготовления крупной рекламы и оформления зданий, как внутри, так и снаружи, нанесения рисунков на ткани и элементы одежды, изготовления цветных витражей и т.п.

Заявленный способ, как и описанный прототип, включает синтез прямоугольного строчного растра изображения на неподвижной плоской поверхности струями направленных перпендикулярно ей распыленных красочных компонент изображения и программное управление расходы компонент в процессе построчного сканирования поверхности. Суть отличий от прототипа сводится к замене формы задания программы управления и к связанному с этой заменой введению адресной координатной привязки информации к точкам поверхности. Для этого каждую строку растра разбивают на ряд прямоугольных элементов площади, расположенных вплотную друг за другом по длине строки. Количества элементов в строках одинаковы и, поскольку растр изображения имеет прямоугольную форму, все одноименные элементы строк располагаются один под другим. В результате на поверхности создается сетка взаимно перпендикулярных строк и столбцов этих растровых элементов. Параметры растрирования, т.е. допустимые значения ширины столбцов и строк растра изображения определяются, как и для прототипа, исходя из закономерностей восприятия, связанных с разрешающей способностью человеческого глаза и в зависимости от расстояния рассматривания изображения. Прямоугольная сетка растровых элементов допускает координатную адресацию информации записи по направлениям строк и столбцов, и позиция (адрес) любого элемента однозначно определена парой координат (или номеров) местоположений соответствующих строки и столбца. При таком методе адресации информация записи может задаваться заранее по каждому элементу при считывании или вводе ее в управляющее устройство и автоматически относится (приписываться) позиции элемента как к адресу, а в момент записи использоваться для управления нанесения красочных компонент. Такая информация задается в форме количественных характеристик, относящихся к каждой красочной компоненте, приходящейся на элемент. Такая форма задания имеет физический смысл.

Градационные и оптические характеристики записанного изображения определяются совокупностью взятых отдельно по каждой из цветообразующих красочных компонент значений оптических плотностей составляющих его элементов.

Существует соотношение, известное под названием закона Бугера-Бэра:

D=Kl

где D оптическая плотность светопоглощающего слоя,

K коэффициент, зависящий от свойства слоя,

l толщина слоя.

Это соотношение устанавливает пропорциональную связь оптической плотности светопоглощающего слоя с его толщиной.

Поэтому информация, определяющая количества наносимых на элементы изображения прозрачных красок будет определять значения толщин слоев красочных пленок, создаваемых на поверхностях площадок элементов, то есть, определять их оптические плотности. Так как значение оптической плотности определяется толщиной слоя и свойствами пленки краски, то для каждой точки (для каждого элемента) изображения оно будет зависеть от технологических факторов режима записи свойств применяемых красок (красочных компонент), скорости построчного сканирования поверхности, интенсивности красочных струй и диапазонов регулирования расхода клапанными устройствами. На этом основании формула изобретения указывает задание информации для каждого элемента изображения в форме набора относительных количественных характеристик по каждой в отдельности красочной компоненте, подлежащей нанесению на элемент.

Из всех элементов изображения один элемент (или группа элементов) будет иметь максимальное значение заданной количественной характеристики и, следовательно, максимальную оптическую плотность соответствующего участка изображения, а плотности остальных элементов будут пропорционально отличаться в соответствии со значениями своих относительных количественных характеристик. Такой принцип задания исходной информации позволяет настраивать технологические параметры процесса записи для получения желаемого интервала оптических плотностей готового изображения, т.е. его контрастности. Этот принцип дает возможность легко осуществлять считывание оригинальной информации о будущем изображении, а также ее подготовку и ввод, например, в устройство памяти с применением существующих аппаратных средств.

Нанесение каждой красочной компоненты при записи будет осуществляться по адресам позиций элементов, при этом количество наносимой компоненты по каждому адресу определится временем экспозиции элемента и задаваемым секундным расходом компоненты в струе в соответствии со значением относительной количественной характеристики компоненты из набора, приписанного соответствующей позиции элемента. При этом очевидно, что при записи цветного изображения все компонентные изображения совпадут и создадут синтезированное красочное изображение, если на каждый элемент будут наноситься количества компонент, отнесенные к его позиции на поверхности (адресу). Само адресное определение позиций соответствующих элементов может осуществляться различными методами, например, известными техническими приемами с использованием синхродатчиков положения по каждому координатному направлению.

На фиг. 1 изображена схема процесса записи изображения на плоской поверхности.

На фиг. 2 изображена блок-схема устройства для осуществления записи.

На фиг. 3 изображен общий вид устройства для осуществления записи изображения.

На фиг. 4 изображена структурная электрическая схема узлов сканирования и синхронизации устройства записи.

На фиг. 5 изображена конструкция блока дозаторов расхода красочных компонент со схемой управления.

Возможность осуществления заявленного способа иллюстрирует схема, приведенная на фиг. 1. Процесс ведется при использовании устройства, осуществляющего построчные сканирующие движения блока записи относительно неподвижной плоской поверхности. После каждого цикла записи строки в горизонтальном направлении блок записи смещается в вертикальном направлении на одну строку, а затем цикл записи повторяется. Перемещения по указанным направлениям осуществляется с помощью соответствующих приводов. Блок записи несет на себе дозаторы, включающие форсунки распыления и клапаны управления расходом жидких красочных компонент изображения, наносимых на поверхность. Информация записи передается к дозаторам от устройства управления, которое может находиться как на блоке записи, так и вне его. Предусмотрена также схема синхропривязки информации записи к участкам поверхности и процессе записи.

Блок-схема устройства изображена на фиг. 2. Она содержит блок записи 1 с дозаторами цветообразующих компонент 2, 3 и 4, управляющее устройство 5 и линии передачи информации записи к дозаторам 6, 7 и 8. Устройство реализует субстрактивный способ записи цветных изображений с использованием прозрачных красочных компонент трех дополнительных цветов голубого, желтого и пурпурного. Для повышения качества и контрастности изображения, как и в полиграфических процессах, возможно использование еще четвертой краски черного цвета. В этом случае устройство должно содержать еще один, четвертый, дозатор черной краски. Изображенный на блок-схеме узел дозаторов 2, 3 и 4 образует совместно с программными управляющими устройство 5 три цветовых канала записи информации. Блок управления приводами 9 имеет механические и электрические связаи с блоком записи и приводами горизонтального и вертикального перемещения 10 и 11. Блок синхронизации 12 предназначен для выработки и передачи синхросигналов управления в линии синхропривязи записываемой информации по столбцам 13 и строкам 14 расположения растровых элементов изображения по координатам сканирования. Он имеет связи с блоком управления приводами 9 и блоком записи 1. На фиг. 3 изображена конструкция устройства с механическими и электрическими элементами, а на фиг. 4 структурная электрическая схема узлов сканирования и синхронизации.

Устройство содержит стойки 15 (фиг. 3), по которым перемещается рама 16, подвешенная на двух тросах 17, намотанных на вал храпового колеса 18. Каретка блока записи 1 может перемещаться на роликах вдоль направляющих рамы 16. Для ее перемещения служит привод с электродвигателем 19 и тросом 20. По длине рамы 16 натянута синхролента 21 с прорезями, а к каретке блока записи прикреплена колодка 22 с прорезью для синхроленты. В отверстия колодки вставлены лампа 23 и фотодиод 24. С боков каретки блока записи установлены концевые выключатели 25 и 26. Система с рамой и блоком записи может двигаться вниз с помощью пассивного шагового привода, включающего храповое колесо 18, фиксатор 27, электромагнит 28 и размыкатель 29. Фотодиод 24 (фиг. 4) подключен к операционному усилителю 30, нагруженному на вход триггера Шмитта 31. Концевые выключатели соединены со входами установки и сброса триггера направления движения 32. Также показана схема коньюнкции 33, линии синхросигнала по столбцам 13 и строкам 14, транзистор 34а включения реле 35 с контактными группами 36 и 37, резистор 38 и тиристор 39.

На фиг. 5 изображена конструкция блока из трех дозаторов расхода красочных компонент совместно со схемой управления по трем цветовым каналам. Подробно изображена схема управления по одному из каналов (фиг. 2 поз. 2). Кодовые комбинированные 4-х разрядные входы позволяют подавать на дозаторы по 16 дискретных значений входного сигнала от управляющего устройства в двоичном коде от значения 0000 до IIII и, соответственно, воспроизводить на поверхности 16 значений оптической плотности по каждому из компонентных красочных изображений. Входы соответствуют линиям связи 6, 7 и 8 фиг. 2. Схема дозатора включает в себя входные инверторы 40^oC43 и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), выполненный на транзисторах 44^oC47 и связанных с ними резисторах, а также аналоговый сервопривод клапана, включающий операционный усилитель 48, усилитель мощности на транзисторах 49^oC52, нагруженный на катушку линейного двигателя электродинамического типа 53 и потенциометр электромеханической обратной связи по перемещению 54. С катушкой 53 связана игла 55 клапана подачи красочной компоненты в эжекторную воздушную форсунку 56. Форсунка объединяет все три клапанных узла подачи компонент в единый блок смешения компонент и формирования общей красочной пульверизационной струи, направленной в сторону плоской поверхности.

Способ реализуется следующим образом.

Перед началом записи рама 16 находится в верхнем положении, а блок записи 1 в крайнем левом положении (фиг. 3). При этом контакт концевого выключателя 25 (фиг. 4) замкнут, а триггер 32 включен по входу S. Это обусловливает нулевое значение сигнала на линии синхронизации по строкам 14, включение транзистора 34, а также включение состояния реле 35. Двигатель 19 начинает перемещать блок записи 1 вправо. В момент засветки фотодиода 24 светом лампы 23 через первую прорезь в масочной синхроленте 21 на выходе операционного усилителя 30 появится первый синхросигнал. Сформированный триггером Шмитта 31, он поступит на схему коньюнкции 33, где совпадет с единичным сигналом с выхода триггера 32, в результате на линии синхронизации по столбцам 13 появится первый синхросигнал. Момент его появления жестко определен положением каретки по отношению к первой прорези в синхроленте, а, следовательно, и по отношению к первому вертикальному столбцу элементов растра будущего изображения на поверхности. При каждой следующей засветке фотодиода 24 будет формироваться следующий синхросигнал положения столбца элементов. Количество поступающих в управляющее устройство 5 по линии 12 синхросигнала определит количество пройденных блоком записи 18 местоположений вертикальных столбцов элементов наносимого изображения в процессе движения блока вдоль строки. Счет сигналов осуществляется в управляющем устройстве. Каждый выработанный синхросигнал, таким образом, является признаком достижения кареткой блока записи физической позиции элемента изображения на поверхности, адреса которого определен координатами пересечения соответствующего столбца с данной строкой. В управляющем устройстве каждой такой позиции (т.е. каждому адресу элемента) приписан набор значений относительных количественных характеристик всех красочных компонент, подлежащих нанесению на участок площади, занимаемый данный элементом, и эта информация выдается из управляющего устройства по каждому синхросигналу в шины 6, 7 и 8 в виде 4-х разрядных комбинаций сигналов в двоичном коде. Каждая из шин предназначена для передачи информации записи по одной из красочных компонент. Информация по шине 6 принимается на входные инверторы 40^oC43 соответствующего дозатора, который по схеме фиг. 5 показан подробно. По каждому следующему синхросигналу выдаваемая информация заменятся на информацию, соответствующую следующему элементу строки. После записи последнего элемента строки управляющее устройство, в соответствии с введенной в него программой, прекращает передачу информации записи. По достижении блоком записи крайнего правого положения срабатывает концевой выключатель 26, сбрасывающий триггер 32. При этом на линии 13 возникает единичный сигнал, который поступает в управляющее устройство 5 как признак окончания записи строки и перехода к следующей строке растра. Сброс триггера 32 выключает транзистор 34, который выключает реле 35. Переключение контактных групп 36 реле приводит к реверсу электродвигателя привода 19 и изменению направления движения каретки блока записи. Поступающий с триггера 32 на схему коньюнкции 33 нулевой сигнал блокирует в этом режиме выдачу в линию связи с управляющим устройством синхросигналов столбцов элементов. Цепь включения тиристора 39 через резистор 38 зашунтирована нормально замкнутым контактом группы 37 реле 35. Это шунтирование снимается на короткий момент перехода подвижного контакта данной группы с одного неподвижного контакта на другой при переключении реле. В результате тиристор 39 включается, подавая ток в катушку электромагнита 28, который притягивает рычаг фиксатора 27 и освобождает храповое колесо 17. Поднявшись, фиксатор 27 нажимает размыкатель 29, прекращая ток в цепи электромагнита 28, что приводит и к выключению тиристора 39. Затем фиксатор 27 возвращается в исходное положение, зацепляясь за следующий зуб на храповом колесе 17 при его повороте на одну позицию, в результате рама 15 с блоком записи 18 перемещается вниз на ширину одной строки. Тем временем блок записи 18 перемещается влево, но запись информации при этом отсутствует, так как блокирована передача синхросигналов столбцов к управляющему устройству по линии 12. В крайнем левом положении блока записи 18 срабатывает концевой выключатель 25 и восстанавливает режим движения вправо. При этом единичный сигнал с триггера 32 вновь разрешает выдачу синхросигналов столбцов элемента через схему конъюнкции 33 в линию связи 12 с управляющим устройством 5, а сигнал с инверсного выхода триггера 32 снимает сигнал окончания записи предыдущей строки. Этот возникающий один раз за цикл движения сигнал на линии связи 13 используется в управляющем устройстве 5 для счета числа записанных строк и организации режима выдачи информации записи. В момент засветки фотодиода 24 через первую прорезь в синхроленте 21, в линию 12 вновь выдается первый синхросигнал столбцов элементов, а далее цикл записи следующей строки повторяется как описано выше.

Принятый на входные инверторы 40^oC43 код управляет состоянием транзисторов 44^oC47 ЦАП, с выхода которого сформированный аналоговый сигнал поступает через резистор 57 на вход операционного усилителя 48 сервопривода клапана, а с него на вход усилителя мощности на транзисторах 49^oC52. Резисторы 58 и 59 образуют делитель напряжения, задающий исходный статический сдвиг напряжения на выходе операционного усилителя 48, соответствующий закрытому состоянию игольчатого клапана дозатора при отсутствии входного сигнала. Игла 56 клапана механически связана с потенциометром 54 обратной связи сервопривода. Снимаемый с движка потенциометра сигнал пропорционален отклонению иглы и имеет знак, противоположный знаку приложенного к входу сервопривода сигнала. Острие иглы имеет форму, обеспечивающую линейность расходной характеристики игольчатого клапана, образованного кольцевым зазором между острием иглы и гнездом клапана, от перемещения иглы. В точке соединения резисторов 61 и 6 выделяется разность сигналов цепи управления с выхода операционного усилителя 48 и обратной связи с потенциометра 54. В зависимости от знака этой разности включаются транзисторы 49-50 или 51-52. Протекающий в результате через катушку 53 ток перемещает иглу 55 и связанный с ней движок потенциометра 54 до тех пор, пока разность сигналов не примет нулевое значение. При этом ток прекращается и механическая система останавливается. Это соответствует такому положению острия иглы, когда созданный ею зазор клапана обеспечивает заданный расход наносимой на поверхность цветообразующей компоненты через форсунку 56 в соответствии со значением поступившего на входы инверторов 40^oC43 информационного кода. Следует отметить, что входная информация может иметь любую форму, а исполнение дозаторов может быть различным.